陳 燕

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350000）

隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程加快，城市中的交通壓力不斷變大，城市軌道作為一種高運(yùn)量、高可靠性的公共交通，對(duì)緩解城市交通壓力起著重要作用，已成為越來(lái)越多居民的首選出行方式。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都開始了基于車車通信的列控系統(tǒng)研究，將既有連鎖系統(tǒng)資源管理方式轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源分散協(xié)同管理方式，由車載和地面資源管理設(shè)備共同完成資源管理和分配，有效減少軌旁設(shè)備、降低通信時(shí)延、提升運(yùn)營(yíng)效率，但同時(shí)會(huì)增加通信負(fù)荷，如果通信資源分配不均，易出現(xiàn)擁堵，影響行車效率和行車安全，如何管理和分配無(wú)線資源成為困擾車車通信的一個(gè)問(wèn)題。所以，選擇合適的線路資源以及無(wú)線資源管理和分配方案對(duì)于整個(gè)列控系統(tǒng)性能的提升非常重要。

1 研究背景

上海富欣智控聯(lián)合青島四方車輛研究所研發(fā)的TACS系統(tǒng)，在青島地鐵6號(hào)線上成功通過(guò)真車上線調(diào)試前的專家評(píng)審[1]。交控科技提出的VBTC系統(tǒng)通過(guò)引入列車協(xié)同控制和資源按需分配，實(shí)現(xiàn)了列車自主運(yùn)行控制[2]。2020年11月，卡斯柯重磅發(fā)布了其自主研發(fā)的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS），是業(yè)內(nèi)首個(gè)商用TACS系統(tǒng)。

2 基于車車通信的列控系統(tǒng)線路資源管理

線路資源是城軌交通運(yùn)行的基礎(chǔ)，所有列車的運(yùn)行都必須占用線路資源，多列車運(yùn)行時(shí)必然產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，線路資源的管理與分配成為列控系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的核心功能之一。搭建高效的資源管理平臺(tái)，建立線路資源使用邏輯，實(shí)現(xiàn)列車對(duì)線路資源的有序占用，擺脫對(duì)連鎖的依賴，實(shí)現(xiàn)等同于連鎖的安全性能。通過(guò)合理的線路資源利用，實(shí)現(xiàn)列車間隔防護(hù)，解決線路資源使用沖突。

2.1 線路資源管理原則

城市軌道交通線路設(shè)備包括線路基礎(chǔ)設(shè)施、信號(hào)設(shè)備、供電設(shè)備、通信設(shè)備等。其中軌道、道岔、車擋等線路基礎(chǔ)設(shè)施，信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、計(jì)軸器等信號(hào)設(shè)備以及屏蔽門、防淹門等都與行車安全性相關(guān)，應(yīng)該納入線路資源管理進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配。

城軌交通的線路資源管理類似于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在基于車車通信的列車控制系統(tǒng)的統(tǒng)一管理下，以列車為主體，自主實(shí)現(xiàn)線路資源的申請(qǐng)和釋放。列車能自主運(yùn)行的核心在于車車通信技術(shù)帶來(lái)的列車間的自主溝通與協(xié)調(diào)，在復(fù)雜多變的線路環(huán)境中，每列車都具有高度自主性，根據(jù)自身運(yùn)行狀態(tài)和周邊動(dòng)態(tài)環(huán)境自主進(jìn)行資源的申請(qǐng)與釋放，實(shí)現(xiàn)線路資源的有序分配，保證線路運(yùn)行穩(wěn)定、有序。

在新型列控系統(tǒng)中，資源分配對(duì)于提升系統(tǒng)性能具有重要意義，在保證安全的前提下，盡量兼顧列車行車效率和線路資源利用率。

獨(dú)占性原則：多列車同時(shí)申請(qǐng)一個(gè)資源時(shí)，同一時(shí)刻只允許一列車得到資源，其他列車均申請(qǐng)失敗，保障行車安全。

效率優(yōu)先原則：資源分配時(shí)要保證列車運(yùn)行效率和線路資源利用率，效率高的列車申請(qǐng)資源應(yīng)優(yōu)先得到滿足。

關(guān)鍵資源占用先行原則：線路上占用關(guān)鍵資源的列車優(yōu)先滿足，使關(guān)鍵資源能盡快空閑，以滿足更多列車的運(yùn)行需要。

調(diào)度優(yōu)先原則：調(diào)度的優(yōu)先級(jí)高于資源自動(dòng)分配，保證調(diào)度命令能及時(shí)得到執(zhí)行。

長(zhǎng)進(jìn)路保障原則：長(zhǎng)進(jìn)路列車由于需要占用的資源較多，難以一次性得到滿足，在資源分配時(shí)應(yīng)根據(jù)長(zhǎng)進(jìn)路列車申請(qǐng)資源的次數(shù)，適當(dāng)提高其優(yōu)先級(jí)，提高其資源申請(qǐng)成功率。

流程簡(jiǎn)化原則：應(yīng)盡量簡(jiǎn)化資源分配流程，縮短系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，使得列車的資源申請(qǐng)快速得到滿足，提升效率。

2.2 線路資源管理設(shè)備功能需求

基于車車通信的列控系統(tǒng)雖然在資源管理與分配上與傳統(tǒng)列控系統(tǒng)區(qū)別較大，但兩者的核心功能卻基本一致，只是在管理模式上存在較大差異[3]。因此，新型列控資源管理方法必須保證核心功能安全、穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)需求。

線路資源動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)與維護(hù)：線路資源根據(jù)線路或設(shè)備類型不同分類存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，統(tǒng)一管理，可實(shí)時(shí)采集并更新線路資源狀態(tài)，應(yīng)具備日常維護(hù)功能，維護(hù)記錄以日志形式保存，便于維護(hù)管理。

自主進(jìn)行資源分配與釋放：可結(jié)合線路特點(diǎn)、設(shè)備類型、車輛狀態(tài)等實(shí)時(shí)信息進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，在保證安全的前提下，尋找均衡線路資源利用率和線路運(yùn)行能力的方法。

線路資源使用流程設(shè)計(jì)：由于線路資源使用方式的改變，列車可自行申請(qǐng)資源占用，為了線路資源使用的安全和高效，必須針對(duì)不同資源，設(shè)計(jì)一套完整的資源使用流程，包括線路資源的查詢、申請(qǐng)、占用和釋放等。

接口信息管理：以列車為主體進(jìn)行智能化的線路資源管理的前提是足夠完整的數(shù)據(jù)支持。車載設(shè)備、線路資源管理設(shè)備、軌旁執(zhí)行設(shè)備之間都具備接口通信功能，將線路資源管理設(shè)備和軌旁執(zhí)行設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口傳輸至車載設(shè)備，車載設(shè)備根據(jù)列車運(yùn)行需求以及線路狀態(tài)進(jìn)行資源申請(qǐng)與釋放。

2.3 線路資源管理

線路資源管理由車載和地面資源管理設(shè)備共同完成，其中列車是資源使用者，地面資源管理設(shè)備是資源的管理者和分配者。線路資源作為資源管理分配的主體，存在空閑、占用、故障三種狀態(tài)，且可以相互轉(zhuǎn)換[4]。

線路資源的使用經(jīng)歷了查詢、申請(qǐng)、占用、釋放四個(gè)流程，查詢功能的觸發(fā)條件包括時(shí)間觸發(fā)、位置觸發(fā)和事件觸發(fā)。滿足其中任一條件時(shí)，列車即會(huì)向地面資源管理平臺(tái)申請(qǐng)資源狀態(tài)查詢。查詢到目標(biāo)資源空閑時(shí)，立即發(fā)起申請(qǐng)，如果僅有一列車申請(qǐng)?jiān)撡Y源且該資源正常工作，則該列車申請(qǐng)成功并占用資源。如果同時(shí)多列車申請(qǐng)?jiān)撡Y源，則地面資源管理平臺(tái)根據(jù)內(nèi)置邏輯判斷出優(yōu)先級(jí)最高的列車并分配資源。列車實(shí)現(xiàn)資源占用后，此部分資源即為占用狀態(tài)，其他列車不可申請(qǐng)；列車占用結(jié)束并出清該資源后，列車確認(rèn)釋放資源，該資源重置為空閑狀態(tài)，可接受其他列車的占用申請(qǐng)。

線路資源管理需要遵循獨(dú)占性原則，但當(dāng)不同列車對(duì)相同資源的使用方式不同時(shí)，也可申請(qǐng)共享資源，例如前車出站并越過(guò)站前道岔，此時(shí)并未釋放道岔資源，為保證后車能及時(shí)進(jìn)站，后車可申請(qǐng)站前道岔作為保護(hù)區(qū)段，及時(shí)進(jìn)站，此時(shí)站前道岔由前、后車共同使用，在保證安全的前提下，提高了效率。多數(shù)情況下，資源的管理還是必須遵循獨(dú)占性原則，例如前車側(cè)線進(jìn)站占用整個(gè)站前道岔，資源申請(qǐng)成功后，在前車釋放前方道岔前，后車都無(wú)法再申請(qǐng)道岔資源。為了保證線路通行效率，當(dāng)前車運(yùn)行并出清一個(gè)道岔后，雖未完全出清整條進(jìn)路，已經(jīng)出清的道岔也應(yīng)及時(shí)釋放，后車即可申請(qǐng)道岔資源正線進(jìn)站。

資源獨(dú)占、共享場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 資源獨(dú)占、共享場(chǎng)景

3 車車通信無(wú)線資源管理

3.1 無(wú)線資源分配

D2D通信技術(shù)旨在使一定距離范圍內(nèi)的用戶直接通信，以降低服務(wù)基站的負(fù)荷，D2D既可以在基站控制下進(jìn)行連接及資源分配，也可以在無(wú)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的時(shí)候進(jìn)行信息交互，每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)都能發(fā)送和接收信號(hào)，且具有自動(dòng)路由（轉(zhuǎn)發(fā)消息）的功能。網(wǎng)絡(luò)的參與者共享?yè)碛械囊徊糠钟布Y源，能夠被其他用戶直接訪問(wèn)而不需要經(jīng)過(guò)中間實(shí)體。在D2D通信網(wǎng)絡(luò)中，用戶節(jié)點(diǎn)同時(shí)扮演服務(wù)器和客戶端的角色，用戶能夠意識(shí)到彼此的存在，自組織地構(gòu)成一個(gè)虛擬或?qū)嶋H的群體。

3.1.1 功率分配

D2D通信雖然可以縮短用戶信息交互時(shí)延、提升速率，但由于新增了用戶之間的傳輸通道，無(wú)線環(huán)境變得更加復(fù)雜，不僅存在普通蜂窩用戶間的干擾，還存在D2D用戶間的干擾。通過(guò)給不同用戶分配不同大小功率，降低干擾是保證通信質(zhì)量的有效手段，但目前針對(duì)功率分配的研究多是犧牲部分用戶為代價(jià)提升小區(qū)整體指標(biāo)，未考慮用戶特征。列車的業(yè)務(wù)種類較多，且作為普通蜂窩用戶和D2D用戶時(shí)，所承載的業(yè)務(wù)對(duì)于QoS的需求各不相同。因此在功率分配時(shí)，不僅要考慮用戶特征也要考慮不同業(yè)務(wù)類型的QoS需求，從而實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)。

3.1.2 頻譜分配

無(wú)線通信的頻譜分配功能關(guān)系到用戶業(yè)務(wù)需求能否得到滿足，是極其重要的功能。目前關(guān)于頻譜分配方案的研究多數(shù)都是基于固定場(chǎng)景，而城市軌道交通列車高速移動(dòng)，通信場(chǎng)景切換頻繁，無(wú)線環(huán)境變化快，因此在頻譜分配時(shí)要結(jié)合此特點(diǎn)，以提升用戶級(jí)業(yè)務(wù)QoS指標(biāo)為目標(biāo)。

3.1.3 通信模式選擇

依據(jù)通信用戶間使用資源的關(guān)系，可分為正交模式、復(fù)用模式和基站中繼模式。正交模式指不同用戶在通信過(guò)程中使用的資源在頻域上正交，相互沒(méi)有干擾，但沒(méi)有充分利用D2D技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。復(fù)用模式指D2D用戶復(fù)用其他普通用戶使用的資源，用戶間必然產(chǎn)生干擾，難以保障QoS質(zhì)量，但復(fù)用模式能大幅提高頻譜利用率?；局欣^模式頻譜利用率較低，適用于信號(hào)質(zhì)量差、無(wú)法建立直接通信的場(chǎng)景。

正交模式實(shí)現(xiàn)較易，但頻譜利用率低，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的通信需求，由于無(wú)線頻譜的稀缺性，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注復(fù)用模式。但在實(shí)際使用過(guò)程中，為了提升網(wǎng)絡(luò)性能，不應(yīng)局限使用一種傳輸模式，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇最適宜、收益最大的傳輸模式。

3.2 基于軟頻率復(fù)用的資源調(diào)度

我國(guó)4G網(wǎng)絡(luò)采用的LTE同頻組網(wǎng)在提升頻譜效率的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)重的小區(qū)間干擾，尤其是在多小區(qū)重疊覆蓋且電平相當(dāng)?shù)膮^(qū)域。在商用網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)（ICIC）就是一種重要的干擾處理技術(shù)。常見(jiàn)的ICIC分為軟頻率復(fù)用和部分頻率復(fù)用，部分頻率復(fù)用將小區(qū)頻帶分為4個(gè)相互正交子帶，小區(qū)中心使用1個(gè)子帶，小區(qū)邊緣用戶均使用其他子帶，在重疊覆蓋區(qū)域的不同小區(qū)用戶使用的頻帶資源相互正交，有效降低干擾，但這樣小區(qū)內(nèi)用戶只能使用部分帶寬，極大影響用戶吞吐率和小區(qū)容量。軟頻率復(fù)用將小區(qū)的頻率資源分為主、輔，分別用于小區(qū)中心和邊緣，相鄰小區(qū)的載波間相互正交，干擾大幅度減小，用戶可使用全部系統(tǒng)資源，頻譜利用率較部分頻率復(fù)用大幅增加，所以城軌交通采用軟頻率復(fù)用進(jìn)行資源調(diào)度。

基于車車通信的列控系統(tǒng)通信多數(shù)情況下是在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行，列車速度快，小區(qū)切換頻繁，常規(guī)的基于軟頻率復(fù)用的靜態(tài)資源調(diào)度方案會(huì)導(dǎo)致小區(qū)容量損失，無(wú)法滿足列車通信需要。根據(jù)城軌交通列車用戶少的特點(diǎn)，相較于公網(wǎng)更關(guān)注小區(qū)吞吐量，城軌交通更應(yīng)關(guān)注提升列車最小吞吐量，根據(jù)列車的實(shí)時(shí)無(wú)線信道質(zhì)量，合理分配載波及發(fā)射功率，保證小區(qū)內(nèi)所有列車用戶均能獲得滿足自身數(shù)據(jù)傳輸需求的無(wú)線資源，提升整個(gè)列控系統(tǒng)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

資源管理與分配功能是基于車車通信的列車控制系統(tǒng)的核心功能之一，對(duì)于保證行車安全、提升運(yùn)營(yíng)效率具有重要作用。本文分析了新型列控系統(tǒng)的線路資源的管理原則及功能需求、無(wú)線資源的分配和管理辦法，提出了線路及無(wú)線資源管理的基本方案，可為基于車車通信的列控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供借鑒。